JP5580351B2 - 成長基板及び発光素子 - Google Patents
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Description
本発明の実施例は、半導体物質を成長するための成長基板及び発光素子に関する。
発光素子は、化合物半導体のＰＮ接合ダイオードに順方向電流が流れるときに光を発する現象を用いた素子であって、ディスプレイ素子の光源として主に用いられている。このような発光素子は、電球のようなフィラメントが要求されず、振動に強く、長い寿命を持っており、反応速度が速いなどの優れた特性を示す。
サファイア基板上にエピ層（ｅｐｉ ｌａｙｅｒ）を成長することが一般的であるが、シリコン基板上にエピ層を成長する技術が開発されている。但し、シリコン基板上に窒化物半導体層（例えば、ＧａＮ層）を成長する上で、シリコン基板とＧａＮ層との間に格子定数及び熱膨張係数の差が存在して、結晶欠陥が生じ得る。
本発明の実施例は、歪みを減少し、品質を向上させることができる成長基板及び発光素子を提供する。
本発明の実施例による成長基板は、ベース基板と、前記ベース基板上に形成され、前記ベース基板の一部を露出する第１バッファ層と、前記第１バッファ層及び前記露出されたベース基板を覆い、前記ベース基板と共晶反応する物質からなる第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に形成される第３バッファ層とを備え、前記第２バッファ層はボイド（ｖｏｉｄ）を含む。
前記ベース基板は、シリコン基板であってもよい。
前記第１バッファ層は、前記ベース基板の一部を露出するピンホール（ｐｉｎ ｈｏｌｅ）、または、互いに離隔するアイルランドを含むことができる。前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層よりも低い融点温度を有する物質であってもよい。前記第３バッファ層は、前記第１バッファ層と同一の物質であってもよい。
前記第２バッファ層は、ＡｌｘＭｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜1、０＜ｘ＜０．５、Ｍ＝Ｉｎ及び／またはＢ）で構成される窒化物半導体であってもよい。前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１、０＜ｙ＜０．５）で構成される窒化物半導体であってもよい。前記第２バッファ層のＡｌの含量は、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層のＡｌの含量よりも小さくてもよい。
前記ボイドは、前記シリコン基板と前記第３バッファ層との間に形成されることができる。前記ボイドの下部の前記シリコン基板の部分は穴を含むことができる。前記第２バッファ層はＧａＳｉを含むことができる。前記第３バッファ層の厚さは、前記第１バッファ層の厚さよりも大きくてもよい。
本発明の実施例による発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成され、前記シリコン基板の一部を露出する第１バッファ層と、前記第１バッファ層及び前記露出されたシリコン基板を覆い、前記シリコン基板と共晶反応する物質からなる第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に形成される第３バッファ層と、前記第３バッファ層上に形成される発光構造物とを備え、前記第２バッファ層はボイドを含む。
前記第１バッファ層は、前記ベース基板の一部を露出するピンホール、または、互いに離隔するアイルランドを含むことができる。
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層よりも低い融点温度を有する物質であってもよい。
前記第２バッファ層は、ＡｌｘＭｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜1、０＜ｘ＜０．５、Ｍ＝Ｉｎ及び／またはＢ）で構成される窒化物半導体であってもよい。前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１、０＜ｙ＜０．５）で構成される窒化物半導体であってもよい。
前記第２バッファ層のＡｌの含量は、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層のＡｌの含量よりも小さくてもよい。前記ボイドの下部の前記シリコン基板の部分は穴を含むことができる。前記第２バッファ層はＧａＳｉを含むことができる。
本発明の実施例は、歪みを減少し、品質を向上させることができる。
以下、各実施例は、添付の図面及び各実施例についての説明を通じて明白になる。実施例の説明において、各層（膜）、領域、パターンまたは構造物が基板、各層（膜）、領域、パッドまたはパターンの“上（ｏｎ）”にまたは“下（ｕｎｄｅｒ）”に形成されると記載される場合において、“上（ｏｎ）”と“下（ｕｎｄｅｒ）”は、“直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）”または“別の層を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）”形成されることを全て含む。また、各層の上または下は、図面を基準にして説明する。
図面において、大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張または省略されるか、または概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全的に反映するものではない。また、同一の参照符号は、図面の説明を通じて同一の要素を示す。以下、添付の図面を参照して、実施例による発光素子、その製造方法、及び発光素子パッケージを示す。
図１乃至図４は、本発明の実施例による発光素子の製造方法を示す。
図１を参照すると、シリコン基板１１０上にシリコン基板１１０の一部を露出させる第１バッファ層１２０を成長させる。このとき、第１バッファ層１２０は、シリコン基板１１０の一部分を露出させる複数のピンホール１２５を有する構造であってもよい。
第１バッファ層１２０の成長方法は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、または化学蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が例示される。
例えば、アルミニウムソースを使用して、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１、０＜ｙ＜０．５）で構成される第１バッファ層１２０を形成することができる。このとき、ピンホール１２５は六角錐の形状であってもよいが、これに限定されず、円筒、または多面体形状などのように多様な形状としてもよい。
図２を参照すると、ピンホール１２５が形成された第１バッファ層１２０及び露出されたシリコン基板１１０上に、第２バッファ層用物質１３０を覆う。
第２バッファ層用物質１３０は、ピンホール１２５を埋め、第１バッファ層１２０上に一定の厚さを有することができる。このとき、第２バッファ層用物質１３０は、ピンホール１２５によって露出されたシリコン基板１１０と接触することができる。
第２バッファ層用物質１３０の形成方法は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、または分子線成長法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）が例示される。
ここで、第２バッファ層用物質１３０は、第１バッファ層１２０よりも低い融点温度を有する物質から形成することができる。例えば、第２バッファ層用物質１３０は、シリコン基板１１０と共晶（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）反応する物質であって、共晶反応によって、第２バッファ層用物質１３０の融点が第１バッファ層１２０の融点よりも低くなることができる。
第２バッファ層用物質１３０は、ＡｌｘＭｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜1、０＜ｘ＜０．５、Ｍ＝インジウム（ＩＮ）及び／またはホウ素（Ｂ））で構成される窒化物半導体から形成することができる。ここで、第２バッファ層用物質１３０のＡｌ含量は、第１バッファ層１２０のＡｌ含量より小さくなるように調節する。これによって、第２バッファ層用物質１３０のＧａ含量は、相対的に第１バッファ層１２０のＧａ含量より大きくなって、第２バッファ層用物質１３０の融点が第１バッファ層１２０の融点より低くなることができる。
図１１は、ガリウム-シリコン（Ｇａ-Ｓｉ）の平衡状態図を示す。すなわち、ガリウムとシリコンの共晶反応によって融点の変化を説明するための図である。ｘ軸は、ガリウム-シリコンにおいてシリコン（Ｓｉ）の相対的な含量（％）を示し、ｙ軸は、これによるガリウム-シリコンの融点を示す。
図１１を参照すると、ガリウム（Ｇａ）の含量が増加するにつれて、融点が低下することが分かる。例えば、シリコンの融点は１４００℃程度で、Ｇａの融点は２９．８℃程度であるが、Ｇａ（２０％）-Ｓｉ（８０％）の共晶反応物の融点は、約１０００℃に低くなることができる。
したがって、第２バッファ層用物質１３０を形成したあと、または、第２バッファ層用物質１３０を形成する過程で、共晶反応のための融点以上の熱工程が進行すると、第１バッファ層１２０は融解されないが、第２バッファ層用物質１３０の一部は基板１１０と共晶反応して融解され得る。
第２バッファ層用物質１３０のガリウム（Ｇａ）は、シリコン基板１１０のシリコン（Ｓｉ）と共晶反応して非結晶質のＧａＳｉ １３２に変換され、且つ、第２バッファ層用物質１３０の窒素（Ｎ）は蒸発できる。共晶反応する第２バッファ層用物質１３０部分の密度が変化し、窒素が蒸発することによって、ピンホール１２５内にはボイド１５２（図４及び図５参照）が形成されることができる。
熱工程を進行し続けると、これによって第２バッファ層用物質１３０は、ボイド１５２を含む第２バッファ層１３０Ａ（図３及び図４参照）に変形され得る。
次に、図３乃至図４を参照すると、第２バッファ層物質１３０上に第３バッファ層１３５を形成する。
第３バッファ層１３５は、第１バッファ層１２０と同一の物質、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１、０＜ｙ＜０．５）で構成される窒化物半導体から形成することができる。第３バッファ層１３５は、第１バッファ層１２０と同様に、シリコン基板１１０と共晶反応しない物質であってもよい。
第３バッファ層１３５上に半導体層１４０を形成する。例えば、半導体層１４０は、光を発生する発光構造物であってもよい。以下、実施例では、半導体層１４０を発光構造物として説明するが、これに限定されない。
発光構造物１４０は、第１導電型半導体層１４２、活性層１４４、及び第２導電型半導体層１４６を含むことができ、これについては後述する。
第３バッファ層１３５は、発光構造物１４０と第２バッファ層１３０Ａとの間に形成され、第１バッファ層１２０と同一の物質で構成して、第２バッファ層物質１３０がこれ以上共晶反応しないようにする役割を果たす。第３バッファ層１３５は、共晶反応を、シリコン基板１１０と第２バッファ層用物質１３０との間のみに限定させる。第２バッファ層物質１３０がシリコン基板１１０と共晶反応して融解されるとき、第３バッファ層１３５は融解されないため、共晶反応が発光構造物１４０に拡散するのを防止することができる。第３バッファ層１３５の厚さは、第１バッファ層１２０の厚さよりも大きくてもよい。
図３では、共晶反応によってピンホール１２５内に形成されるＧａＳｉ １３２を示し、図４では、共晶反応がさらに進行して、第１バッファ層１２０の上部に位置する第２バッファ層１３０Ａの部分１３０−１が、ＧａＳｉに変換されることを示し、ピンホール１２５の内部にはボイド１５２が形成されることを示す。
共晶反応がますます深化するにつれて、第１バッファ層１２０上に位置する第２バッファ層１３０Ａの部分にもボイド１５２が形成されることができる。実施例では、ピンホール１２５内にボイド１５２が形成され、第１バッファ層１２０の上部に位置する第２バッファ層１３０Ａの部分１３０−１がＧａＳｉに変換されることを示したが、これに限定されない。他の実施例では、工程条件によって、ボイド１５２の大きさ、及びＧａＳｉに変換される第２バッファ層１３０Ａの部分の範囲などが変更可能である。
この時に形成されるボイド１５２の大きさは、工程時間、温度、第１バッファ層１２０と第２バッファ層１３０Ａの厚さ及び密度、そしてピンホール１２５の大きさによって決定され得る。
ボイド１５２が形成されることによって露出された第２バッファ層１３０Ａの下面は、第１バッファ層１２０の上部面と、高さが同一であっても、または異なってもよい。
例えば、シリコン基板１１０の表面から、ボイド１５２によって露出される第２バッファ層１３０Ａの下面の間の距離は、第１バッファ層１２０の厚さと同一であってもよい。
または、シリコン基板１１０の表面から、ボイド１５２によって露出される第２バッファ層１３０Ａの下面の間の距離は、第１バッファ層１２０の厚さより小さくても、または同一であってもよい。または、シリコン基板１１０の表面から、ボイド１５２によって露出される第２バッファ層１３０Ａの下面の間の距離は、第１バッファ層１２０の厚さより大きくてもよい。
図５は、図４に示すボイド１５２の一部拡大図を示す。図５を参照すると、共晶反応によるガリウム-シリコンの形成および窒素の蒸発によって、ピンホール１２５内にはボイド１５２が形成され、ボイド１５２の形成によって露出される第１バッファ層１２０の表面には、非結晶質のＧａＳｉ３２０が残留することができる。また、ピンホール１２５を通じて第２バッファ層用物質１３０と接触するシリコン基板１１０の部分にも、共晶反応によって、穴またはボイド３１０が生じ得る。
発光構造物１４０は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣｈｅｍｉｃＡｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などの方法を用いて形成することができできる。
上述の方法によって、第３バッファ層１３５上に第１導電型半導体層１４２、活性層１４４、及び第２導電型半導体層１４６を順次に形成することができる。
第１導電型半導体層１４２は、第３バッファ層１３５上に形成され、第１導電型ドーパントがドープされた３族−５族元素の化合物半導体であってもよい。第１導電型半導体層１４２は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａP、ＧａＡｓ、ＧａＡsＰ、ＡｌＧａIｎＰなどから選択されることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅなどのｎ型ドーパントがドープされることができる。
活性層１４４は、第１導電型半導体層１４２及び第２導電型半導体層１４６から提供される電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）及び正孔（ｈｏｌｅ）の再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）過程で発生するエネルギーによって光を生成することができる。前記活性層１４４は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）の組成式を有する半導体材料を含むことができる。活性層１４４は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、量子ドット構造または量子線構造のうちいずれか１つを有することができる。
第２導電型半導体層１４６は、第２導電型ドーパントがドープされた３族−５族元素の化合物半導体であってもよい。第２導電型半導体層１４６は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａP、ＧａＡｓ、ＧａＡsＰ、ＡｌＧａIｎＰなどから選択されることができ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドープされることができる。
活性層１４４と第１導電型半導体層１４２との間、または、活性層１４４と第２導電型半導体層１４６との間には、導電型クラッド層（ｃｌａｄ ｌａｙｅｒ）を形成することもでき、導電型クラッド層はＡｌＧａＮ系半導体で形成することができる。
また、格子定数の差による転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）防止のために、第３バッファ層１３５と第１導電型半導体層１４２との間に超格子層（図示せず）を形成することができる。このとき、超格子層はＡｌＧａＮ層であってもよい。
一般に、シリコン基板上にＧａＮ層を成長させる上で、ＧａＮとＳｉとの間の格子定数の差によるストレーンを減少させ、ＧａとＳｉが共晶反応してＧａＮ層の下面が溶けること（以下、「メルトバック（ｍｅｌｔ-ｂａｃｋ）」という。）を防ぐために、シリコン基板とＧａＮ層との間にＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層のような窒化物層を形成する。
しかし、窒化物を用いた応力緩和効果は充分に大きくないため、ウエハボーイング（ｗａｆｅｒ ｂｏｗｉｎｇ）現象が生じ得る。ボーイング現象とは、ＧａＮ層の成長完了後、ウエハが反る現象をいう。また、メルトバックを防止するために、ＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層の厚さが増加する場合、ＧａＮ層の結晶品質が劣化して、発光素子の品質が低下することがある。
しかし、本実施例は、ピンホール１２５を有する第１バッファ層１２０を形成したあと、第２バッファ層用物質１３０とシリコン基板１１０との間の共晶反応によって、ピンホール１２５内にボイド１５２を形成させることで、シリコン基板１１０とＧａＮとの間の格子定数の差による歪みを緩和させることができる。
すなわち、シリコン基板１１０上に、窒化物半導体層１３０、１３５、１４０を成長させる工程を行う間に、シリコン基板１１０と第３バッファ層１３５との間の第２バッファ層１３０Ａにボイドが形成される。これによって、シリコン基板１１０と窒化物半導体層１３０、１３５、１４０との間の格子定数の差に起因する歪みを減少または解消して、良質の窒化物半導体層１３０、１３５、１４０を成長させることができ、発光素子の品質を向上させることができる。
図６乃至図９は、他の実施例による発光素子の製造方法を示す。図１乃至図５に開示された実施例と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分については重複説明を省略する。
図６を参照すると、シリコン基板１１０上にアイルランド構造（ｉｓｌａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する第１バッファ層２２０を形成する。ここで、アイルランド構造とは、複数の互いに離隔するアイルランド、例えば２２２、２２３が形成される構造のことをいい、アイルランド、例えば２２２、２２３間に位置するシリコン基板１１０の部分は露出され得る。例えば、成長時間を調節して、ピンホール構造またはアイルランド構造を決定することができる。
図７を参照すると、アイルランド構造を有する第１バッファ層２２０上に第２バッファ層用物質２３０を形成する。このとき、第２バッファ層用物質２３０は、アイルランド２２２、２２３間に位置するシリコン基板１１０、及び第１バッファ層２２０を覆うように形成することができる。第２バッファ層用物質２３０は、図２に示された第２バッファ層用物質１３０と同様の方法及び構成で形成することができる。
次に、図８に示すように、第２バッファ層用物質２３０上に第３バッファ層２３５を形成する。第３バッファ層２３５は、図３に示された第３バッファ層１３５と同様の方法及び構成で形成することができる。
次に、図９に示すように、第３バッファ層２３５上に発光構造物１４０を形成する。
窒化物半導体層２３５、１４０を形成する段階を行う間に、シリコン基板１１０と第２バッファ層用物質２３０は、共晶反応（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ）して、シリコン基板１１０と第３バッファ層２３５との間にボイド２５２を含む第２バッファ層２３０Ａを形成することができる。また、このような共晶反応は、第２バッファ層用物質２３０の形成段階でも生じ得る。
例えば、シリコン基板１１０のシリコン（Ｓｉ）と第２バッファ層用物質２３０に含まれるガリウム（Ｇａ）とが共晶反応して、ＧａＳｉ２３２を形成することができる。図８に示すように、共晶反応によって、アイルランド２２２、２２３間に位置する第２バッファ層用物質２３０は、ＧａＳｉ２３２に漸次変換されることができる。また、図９に示すように、アイルランド２２２、２２３上に位置する第２バッファ層２３０Ａの部分２３０−１もＧａＳｉに漸次変換されることができる。このとき、アルミニウム（Ａｌ）を含む第１バッファ層２２０は、第２バッファ層用物質２３０に比べて融点が高いため、シリコン（Ｓｉ）と共晶反応をしない。
第２バッファ層用物質２３０のガリウム（Ｇａ）は、シリコン基板１１０のシリコン（Ｓｉ）と共晶反応して、非結晶質のＧａＳｉに変換され、第２バッファ層用物質２３０の窒素（Ｎ）は蒸発され得る。共晶反応する第２バッファ層２３０Ａの密度が変化し、窒素が蒸発することによって、アイルランド２２２、２３２間にボイド２５２が形成されることができる。このとき、ボイド２５２内には非結晶質のＧａＳｉが残留することができる。
図８では、共晶反応によって、アイルランド２２２、２２３間に形成されるＧａＳｉ２３２を示し、図９では、共晶反応がさらに進行して、第１バッファ層２２０の上部に位置する第２バッファ層２３０Ａの部分２３０−１がＧａＳｉに変換され、アイルランド２２２、２２３間にはボイド２５２が形成されることを示す。
本実施例では、アイルランド２２２、２２３間にボイド２５２が形成され、第１バッファ層２２０の上部に位置する第２バッファ層２３０Ａの部分が全てＧａＳｉに変換されることを示したが、実施例は、これに限定されず、第１バッファ層２２０の上部に位置する第２バッファ層２３０Ａの部分にもボイドが形成されることができる。すなわち、工程条件によって、ボイド２５２の大きさ、及びＧａＳｉに変換される第２バッファ層２３０Ａの範囲などが変更可能である。
ボイド２５２が形成されることによって露出された第２バッファ層２３０Ａの下面は、第１バッファ層２２０の上部面と、高さが同一であっても、または異なってもよい。
図１２は、第１実施例によるボイド２５２−１を有する第２バッファ層２３０’を示す。
図１２を参照すると、ボイド２５２−１が形成されることによって露出された第２バッファ層２３０’の下面６１０−１は、第１バッファ層２２０の上部面６２０よりも低く形成することができる。すなわち、シリコン基板２１０の表面から、ボイド２５２−１によって露出された第２バッファ層２３０’の下面６１０−１の間の距離Ｄ２は、第１バッファ層２２０の厚さＤ１より小さくても、または同一であってもよい（Ｄ２＜Ｄ１）。
図１３は、第２実施例によるボイド２５２−２を有する第２バッファ層２３０”を示す。
図１３を参照すると、ボイド２５２−２が形成されることによって露出された第２バッファ層２３０”の下面６１０−２は、第１バッファ層２２０の上部面６２０よりも高く形成することができる。すなわち、シリコン基板２１０の表面から、ボイド２５２−２によって露出された第２バッファ層２３０”の下面６１０−２の間の距離Ｄ２は、第１バッファ層２３０”の厚さＤ１より大きくてもよい（Ｄ２＞Ｄ１）。
また、図１２及び図１３に示された第２バッファ層２３０'、２３０”は、ＧａＳｉを含むことができ、ＧａＳｉを含む度合いは、工程条件によって異なってもよい。例えば、第２バッファ層２３０'、２３０”は、全体がＧａＳｉ層であるか、または部分的にＧａＳｉ層を含むことができる。
図１０は、図９に示されたボイド２５２の拡大図を示す。
図１０を参照すると、共晶反応によるガリウム-シリコンの形成および窒素の蒸発によって、シリコン基板１１０と第３バッファ層２３５との間には、ボイド２５２が形成されることができる。また、図７に示された第２バッファ層用物質２３０と接触するシリコン基板１１０の部分には、共晶反応によって、穴または溝３３０が形成されることができる。ボイド２５２の形成によって露出される第１バッファ層２２０、及びシリコン基板１１０の穴３３０の表面には、非結晶質のＧａＳｉ３４０が残留することができる。
また、ボイド２５２によって露出される第２バッファ層２３０Ａの下面は、共晶反応によって、ラフネス６３０（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を有することができる。このようなラフネス６３０は、入射される光を乱反射させることができるので、発光素子の光抽出効率を向上させることができる。
本実施例は、シリコン基板１１０上に窒化物半導体層２３０、２３５、１４０を成長させる工程を行う間に、シリコン基板１１０と第３バッファ層２３５との間にボイド２５２が形成されることによって、シリコン基板１１０と窒化物半導体層２３０、２３５、１４０との間の格子定数の差によるストレーンを減少または解消して、発光素子の品質を向上させることができる。
図１４は、本発明の一実施例による発光素子１００を示す。図１乃至図１０に開示された実施例と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分については重複説明を省略する。図１４に示された発光素子１００は、発光素子を示す。
図１４を参照すると、発光素子１００は、成長基板、発光構造物１４０、伝導層１６０、第１電極１７２、及び第２電極１７４を備える。
成長基板は、ベース基板１１０（ｂａｓｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、第１バッファ層４２０、第２バッファ層４３０Ａ、及び第３バッファ層１３５を備える。ベース基板１１０は、半導体成長のための基板、例えばシリコン基板であってもよいが、これに限定されない。
第１バッファ層４２０は、シリコン基板１１０上に配置される。第１バッファ層４２０は、図１に示された第１バッファ層１２０、または、図６に示された第１バッファ層２２０であってもよい。
第１バッファ層４２０は、図１に示されたピンホール１２５を有する構造であるか、または図６に示されたアイルランド２２２、２２３を含む構造であってもよい。第１バッファ層４２０の組成は、上述したのと同一であってもよい。
第２バッファ層４３０Ａは、第１バッファ層４２０上に配置され、第２バッファ層４３０Ａとシリコン基板１１０との間にはボイド４５２が形成される。このとき、ボイド４５２は、図４に示されたボイド１５２、または、図９に示されたボイド２５２であってもよい。
例えば、ボイド４５２は、第２バッファ層１３０−１とシリコン基板１１０との間に位置するピンホール１２５の内部に形成されることができる。または、ボイド４５２は、第２バッファ層２３０−１とシリコン基板１１０との間に位置するアイルランド２２２、２２３間に形成されることができる。
ボイド４５２は、ピンホールの形状であるか、または円筒形、多面体、多角錐の形状であってもよい。
第２バッファ層４３０Ａは、ＡｌｘＭｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜1、０＜ｘ＜０．５、Ｍ＝Ｉｎ及び／またはＢ）で構成される窒化物半導体であってもよく、第２バッファ層４３０Ａは、ボイド４５２及びＧａＳｉ４３０を含むことができる。第２バッファ層４３０Ａは、上述した実施例１３０Ａ、２３０Ａのうちいずれか１つであってもよい。
発光構造物１４０は、第２バッファ層４３０Ａ上に配置される。第３バッファ層１３５は、発光構造物１４０と第２バッファ層４３０Ａとの間に配置される。
発光構造物１４０は、第１導電型半導体層１４２、活性層１４４、及び第２導電型半導体層１４６を含むことができる。発光構造物１４０は、第１導電型半導体層１４２の一部を露出させる。例えば、発光構造物１４０は、第２導電型半導体層１４６、活性層１４４、及び第１導電型半導体層１４２の一部がメサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）された構造であってもよい。
伝導層１６０は、全反射を減少させるだけでなく、透光性がよいので、活性層１４４から第２導電型半導体層１４６に放出される光の抽出効率を増加させることができる。伝導層１６０は、発光波長に対して透過率の高い透明な酸化物系物質からなることができる。
伝導層１６０は、透明伝導性酸化物層、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＴＯ（Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＴＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＡＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＴＯ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、またはＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち一つ以上を用いて、単層または多層からなることができる。
第１電極１７２は、第１導電型半導体層１４２の露出される部分の上に配置することができる。第２電極１７４は、伝導層１６０上に配置することができる。第１電極１７２及び第２電極１７４は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム(Ａｌ)、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）のうち少なくともいずれか１つから形成することができる。
本実施例による発光素子１００は、ピンホールを有したりまたはアイルランド構造であるシリコン基板１１０と第３バッファ層１３５との間に、ボイド４５２を有する第２バッファ層４３０Ａを配置することによって、シリコン基板１１０と窒化物半導体層４３０、１３５、１４０との間の格子定数の差による歪みを減少または解消して、結晶品質（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｑｕａｌｉｔｙ）を向上させることができる。
図１５は、実施例による発光素子を含む発光素子パッケージを示す。図１５を参照すると、発光素子パッケージは、パッケージボディー５１０、第１金属層５１２、第２金属層５１４、発光素子５２０、第１ワイヤー５２２、第２ワイヤー５２４、反射板５３０及び樹脂層５４０を備える。
パッケージボディー５１０は、一側領域にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）を形成した構造である。このとき、キャビティの側壁は傾斜するように形成することができる。パッケージボディー５１０は、シリコンベースのウエハレベルパッケージ（ｗａｆｅｒ ｌｅｖｅｌ ｐａｃｋａｇｅ）、シリコン基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ、ＡｌＮ）などのように、絶縁性または熱伝導度が良い基板で形成することができ、複数個の基板が積層される構造であってもよい。実施例は、上述したボディーの材質、構造及び形状に限定されない。
第１金属層５１２及び第２金属層５１４は、熱の排出や発光素子の装着を考慮して、互いに電気的に分離されるようにパッケージボディー５１０の表面に配置される。発光素子５２０は、第１ワイヤー５２２及び第２ワイヤー５２４を介して、第１金属層５１２及び第２金属層５１４と電気的に連結される。このとき、発光素子５２０は、図１４に示した発光素子１００であってもよい。
例えば、第１ワイヤー５２２は、発光素子１００の第２電極１７４と第１金属層５１２とを電気的に連結し、第２ワイヤー５２４は、第１電極１７２と第２金属層５１４とを電気的に連結することができる。
反射板５３０は、発光素子５２０から放出された光を、所定の方向に向かうように、パッケージボディー５１０のキャビティの側壁に形成される。反射板５３０は、光反射物質からなり、例えば、金属コーティングまたは金属薄片であってもよい。
樹脂層５４０は、パッケージボディー５１０のキャビティ内に位置する発光素子５２０を包囲して、発光素子５２０を外部環境から保護する。樹脂層５４０は、エポキシまたはシリコンのような無色透明な高分子樹脂材質からなる。樹脂層５４０は、発光素子５２０から放出される光の波長を変化させることができるように、蛍光体を含むことができる。
実施例による発光素子パッケージは、複数個が基板上にアレイされ、発光素子パッケージの光経路上に光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シートなどが配置されることができる。このような発光素子パッケージ、基板、光学部材は、バックライトユニットとして機能することができる。
また他の実施例は、上述した各実施例に記載された発光素子または発光素子パッケージを含む表示装置、指示装置、照明システムで具現することができ、例えば、照明システムは、ランプ及び街灯を含むことができる。
図１６は、本発明の一実施例による発光素子パッケージを含む照明装置の分解斜視図である。図１６を参照すると、本実施例による照明装置は、光を投射する光源７５０と、前記光源７５０が内蔵されるハウジング７００と、前記光源７５０の熱を放出する放熱部７４０と、前記光源７５０と放熱部７４０とを前記ハウジング７００に結合するホルダー７６０とを備える。
前記ハウジング７００は、電気ソケット（図示せず）に結合されるソケット結合部７１０と、前記ソケット結合部７１０と連結され、光源７５０が内蔵されるボディー部７３０とを備える。ボディー部７３０には、１つの空気流動口７２０が貫通して形成されることができる。
前記ハウジング７００のボディー部７３０上に複数個の空気流動口７２０が具備されており、前記空気流動口７２０は、１つの空気流動口からなることもでき、複数個の流動口を、図示のような放射状の配置以外に多様に配置することもできる。
そして、光源７５０には、基板７５４上に複数個の発光素子パッケージ７５２が備えられる。このときに備えられる発光素子パッケージ７５２は、図６に示された実施例による発光素子パッケージであってもよい。ここで、基板７５４は、ハウジング７００の開口部に挿入可能な形状とすることができ、後述のように、放熱部７４０に熱を伝達するために熱伝導率の高い物質からなることができる。
そして、光源７５０の下部にはホルダー７６０が備えられ、このホルダー７６０はフレームと、また他の空気流動口とを含むことができる。また、図示されていないが、光源７５０の下部には光学部材が備えられて、光源７５０の発光素子パッケージ７５２から投射された光を拡散、散乱または収斂させることができる。
図１７ａは、実施例による発光素子パッケージを含む表示装置を示し、図１７ｂは、図１７ａに示された表示装置の光源部分の断面図である。
図１７ａ及び図１７ｂを参照すると、表示装置は、バックライトユニット及び液晶表示パネル８６０、トップカバー８７０（Ｔｏｐ ｃｏｖｅｒ）、固定部材８５１、８５２、８５３、８５４を備える。
バックライトユニットは、ボトムカバー８１０（Ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｖｅｒ）と、ボトムカバー８１０の内部の一側に設けられる発光モジュール８８０と、ボトムカバー８１０の前面に配置される反射板８２０と、反射板８２０の前方に配置されて、発光モジュール８８０から発散される光を表示装置の前方に案内する導光板８３０と、導光板８３０の前方に配置される光学部材８４０と、を含む。液晶表示装置８６０は、光学部材８４０の前方に配置され、トップカバー８７０は、液晶表示パネル８６０の前方に設けられ、固定部材８５１、８５２、８５３、８５４は、ボトムカバー８１０とトップカバー８７０との間に配置され、ボトムカバー８１０とトップカバー８７０を共に固定させる。
導光板８３０は、発光モジュール８８０から放出される光が面光源の形態で出射するように案内する役割を果たし、前記導光板８３０の後方に配置される反射板８２０は、発光モジュール８８０から放出された光を導光板８３０の方向に反射させ、光効率を高める役割を果たす。但し、反射板８２０は、本図面のように別途の構成要素として設けられることもでき、導光板８３０の後面やボトムカバー８１０の前面に反射度の高い物質でコーティングされる形態で設けられることも可能である。ここで、反射板８２０は、反射率が高く、超薄型で使用可能な素材を使用することができ、ポリエチレンテレフタルレート（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ；ＰＥＴ）を使用することができる。
そして、導光板８３０は、発光モジュール８８０から放出される光を散乱させて、その光が液晶表示パネル８６０の画面の全領域にわたって均一に分布するようにする。したがって、導光板８３０は、屈折率と透過率の良い材料からなり、ポリメチルメタクリレート（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＭｅｔｈＡｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰｏｌｙＣａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）、又はポリエチレン（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＥ）などで形成することができる。
そして、光学部材８４０が前記導光板８３０の上部に備えられて、導光板８３０から出射した光を所定の角度で拡散させる。光学部材８４０は、導光板８３０によって導かれた光を液晶表示パネル８６０の方向に均一に照射させる。
光学部材８４０としては、拡散シート、プリズムシートまたは保護シートなどの光学シートを選択的に積層したり、マイクロレンズアレイを使うこともできる。このとき、複数個の光学シートを使うこともでき、光学シートは、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂またはシリコン樹脂などの透明樹脂からなることができる。そして、上述したプリズムシート内に蛍光シートが含まれることもできることは、上述した通りである。
そして、光学部材８４０の前面には液晶表示パネル８６０を備えることができる。ここで、液晶表示パネル８６０の他に、光源を必要とする他の種類の表示装置を備えることができることはいうまでもない。
ボトムカバー８１０上には反射板８２０が置かれ、反射板８２０の上には導光板８３０が置かれる。したがって、反射板８２０が直接に放熱部材（図示せず）と接触することもできる。発光モジュール８８０は、発光素子パッケージ８８１及び印刷回路基板８８２を含む。発光素子パッケージ８８１は印刷回路基板８８２上に実装される。ここで、発光素子パッケージ８８１は、図１５に示された実施例であってもよい。
印刷回路基板８８２は、ブラケット８１２上に接合することができる。ここで、ブラケット８１２は、発光素子パッケージ８８１の固定の他に、熱放出のために熱伝導率が高い物質からなることができ、図示されていないが、ブラケット８１２と発光素子パッケージ８８１との間には熱パッドが備えられて、熱伝達を容易にすることができる。そして、ブラケット８１２は、図示のように、“Ｌ”字状に備えられ、横部８１２ａはボトムカバー８１０によって支持され、縦部８１２ｂは印刷回路基板８８２を固定することができる。
以上各実施例に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれ、必ず一つの実施例にのみ限定されるものではない。さらに、各実施例で例示された特徴、構造、効果などは、実施例の属する分野における通常の知識を有する者によって、他の実施例に対して組み合わせまたは変形して実施する可能である。したがって、これら組み合わせ及び変形に関する内容は、本発明の範囲に含まれるものと解釈すべきである。
Claims (20)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成され、前記シリコン基板の一部を露出する第１バッファ層と、
前記第１バッファ層及び前記露出されたシリコン基板を覆い、前記シリコン基板と共晶反応する物質からなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層上に形成される第３バッファ層とを備え、
前記第２バッファ層は、前記シリコン基板と前記第３バッファ層との間に位置し、前記シリコン基板の一部を露出する第１バッファ層の一部領域内に配置されるボイドを含む、成長基板。 - 前記第１バッファ層は、
前記シリコン基板の一部を露出するピンホール、または、互いに離隔するアイランドを含む、請求項１に記載の成長基板。 - 前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層よりも低い融点温度を有する物質である、請求項１又は２に記載の成長基板。
- 前記第３バッファ層は、前記第１バッファ層と同一の物質である、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層は、
ＡｌｘＭｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦０．５、Ｍ＝Ｉｎ及び／またはＢ）で構成される窒化物半導体である、請求項１、２ないし４のいずれかに記載の成長基板。 - 前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層は、
ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＋ｙ＜１、０≦ｙ≦０．５）で構成される窒化物半導体である、請求項５に記載の成長基板。 - 前記第２バッファ層のＡｌの含量は、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層のＡｌの含量よりも小さい、請求項６に記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層のＧａの含量は、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層のＧａの含量よりも大きい、請求項６に記載の成長基板。
- 前記ｘは０である、請求項５に記載の成長基板。
- 前記ｙは０である、請求項６に記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層はＧａＳｉを含む、請求項６に記載の成長基板。
- 前記ボイドは、前記ピンホールの内部、または前記アイランド同士間に形成される、請求項２に記載の成長基板。
- 前記ボイドは、前記シリコン基板と前記第３バッファ層との間に形成される、請求項１に記載の成長基板。
- 前記ボイドの下部の前記シリコン基板の部分は穴を含む、請求項２に記載の成長基板。
- 前記ボイドによって前記第２バッファ層の下面の一部が露出される、請求項１に記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層の前記露出される下面の一部は、前記第１バッファ層の上部面と高さが同一である、請求項１５に記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層の前記露出される下面の一部は、前記第１バッファ層の上部面と高さが異なる、請求項１５に記載の成長基板。
- 前記第２バッファ層の前記露出される下面の一部には、ラフネス(roughness)が形成される、請求項１５に記載の成長基板。
- 前記第３バッファ層の厚さは、前記第１バッファ層の厚さよりも大きい、請求項１に記載の成長基板。
- 請求項１、２ないし１９のいずれかに記載された成長基板と、
前記成長基板上に形成された発光構造物とを備える発光素子。
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